Wspólnie projektujemy: Zabezpieczenie nadnapięciowe

W numerze wrześniowym zaproponowałem, żeby zająć się problemem, który boleśnie dotknął niejednego elektronika. Chodzi o przypadki nieplanowanego wzrostu napięcia zasilania, które powodują uszkodzenie zasilanego sprzętu. Jak zrealizować przystawkę, która zapobiegnie takim uszkodzeniom?

Wrześniowe zadanie konkursowe o numerze YK018 brzmiało: Zaproponuj w miarę uniwersalny układ stałoprądowego zabezpieczenia nadnapięciowego (3 V…12 V), który ochroni cenne układy podczas awarii zasilacza.

Zadanie takie jest wyjątkowo praktyczne i dotyczy głównie sytuacji, gdy zasilamy jakiś cenny układ czy urządzenie za pomocą jakiegoś słabej jakości, niepewnego zasilacza. Dziś coraz częściej mamy do czynienia z układami czy urządzeniami zasilanymi napięciem w granicach 3 V do 5 V i niekiedy są to układy bardzo cenne, kosztujące kilkaset złotych lub więcej. Podczas pracy, a także podczas testów zasilamy je, wykorzystując rozmaite zasilacze i przetwornice. Nie zawsze takie źródła zasilania są niezawodne. Zdarza się, że bardzo cenny moduł zasilamy za pomocą zasilacza czy przetwornicy za kilka złotych. Zachodzi obawa, że zostanie on zniszczony podczas awarii, polegającej na podwyższeniu napięcia zasilania.

Nieoczekiwane podwyższenie napięcia zasilania może też nastąpić w klasycznych zasilaczach liniowych, np. przy przebiciu głównego tranzystora regulacyjnego, a może też nastąpić w przetwornicach obniżających, bo tam tranzystor kluczujący też włączony jest szeregowo. Podobna awaria może też wystąpić w tanich sieciowych zasilaczach impulsowych.

Dobre zasilacze laboratoryjne mają niezależne, dodatkowe, regulowane obwody ochrony nadnapięciowej (OVP). W ramach zadania YK018 chcemy zaprojektować coś podobnego, ale w formie w miarę prostej i uniwersalnej przystawki, dołączanej do linii zasilania między zasilacz i zasilany układ. Przystawka może mieć dowolną konstrukcję i zasadę działania. Jej podstawowym zadaniem jest ochrona zasilanego układu w przypadku nadmiernego wzrostu napięcia zasilającego.

Jako przykład widoczny na powyższym rysunku tytułowym zaprezentowałem popularne rozwiązanie z triakiem i bezpiecznikiem, pochodzące z kart katalogowych układów TL431. Wskazałem, że praktyczne rozwiązanie powinno dodatkowo mieć możliwość w miarę wygodnej, płynnej lub raczej skokowej regulacji napięcia progu zadziałania.

Bardzo się cieszę z nadesłanych rozwiązań, których Autorzy przedstawili szereg interesujących informacji i propozycji. Oto pierwszy e-mail.

Szanowny Panie Piotrze,

zaciekawiony zadaniem YK018 postanowiłem napisać kilka słów na ten temat co niniejszym uczyniłem i dołączam jako załącznik.

Rozwiązania praktycznego (schematu) nie proponuję, choć jestem ciekaw inwencji autorów, a jedynie chciałem zwrócić uwagę na kilka niuansów zagadnienia, z których główny to awarie wywołane przepięciami na linii zasilania – zabezpieczenie przed roztargnieniem operatora to tylko część problemu. W pracy zawodowej sytuacji takich mieliśmy znacznie więcej niż by się chciało…

(…) Zadania konkursowe z ZE, tak jak z wcześniejszych czasów, czytam cierpliwie i z zaciekawieniem, ale w tym bardzo ciekawym i pouczającym cyklu nie brałem aktywnego udziału. Tym razem postanowiłem zrobić wyjątek, gdyż lubię budować zasilacze, a i doświadczenie zawodowe co nieco mi podpowiada.

Aby dobrze zaprojektować i zbudować zabezpieczenie nadnapięciowe musimy przede wszystkim uświadomić sobie, co jest potencjalnym źródłem ryzyka i do niego dostosować projekt. Nie da się bowiem zrobić zabezpieczenia uniwersalnego. Inaczej bowiem będziemy zabezpieczali urządzenia w domowym laboratorium, gdzie głównym „winowajcą’’ jest zwykle sam konstruktor, który przez nieuwagę, roztargnienie lub chęć eksperymentowania (a nuż się uda) ustawi nie tak jak trzeba zasilanie (łącznie z polaryzacją – bo kabelki się pomieszały), a inaczej bardzo czułe urządzenia laboratoryjne. Z tą drugą sytuacją zwykle nie mamy do czynienia, ale pamiętać o niej warto, do czego wrócę później. Oczywiście awarie zasilaczy, zwłaszcza tych tańszych, też się zdarzają i o tym trzeba pamiętać.

Inną sprawą jest, czy chcemy zabezpieczać urządzenia przed zbyt wysokim czy przed zbyt niskim napięciem zasilania. To drugie, wbrew pozorom, też prowadzi czasami do usterek. Tak więc rozwiązania będą różne, w zależności od sytuacji.

Jako dygresję dodam, że najciekawsze zabezpieczenie przed przypadkowym wyłączeniem zasilania jakie widziałem było w japońskim laboratorium mechaniki skał, gdzie duża dźwignia wyłącznika zasilania ogromnej prasy hydraulicznej była przywiązana łańcuchem zapiętym ogromną kłódką do specjalnie zamontowanego w ścianie haka. Pikanterii dodawał fakt, że była to dźwignia wyłącznika bezpieczeństwa. Podobno zbyt często opadała pod własnym ciężarem….

W warunkach domowych, a tego dotyczy zadanie, oczywiście nie trzeba nic łańcuchem przywiązywać, a jedynie używać sprawnych zasilaczy i uważać, co się robi. Z tym niestety jest często problem. Zwykłe przypadkowe „muśnięcie’’ gałki w zasilaczu – i problem gotowy. W przypadku używania zasilaczy z cyfrową klawiaturą sytuacja jest łatwiejsza, bo szansa błędnego ustawienia napięcia jest znacznie mniejsza a prawie zerowa jest możliwość jego przypadkowego przestawienia. Zwykle problemem jest również zbyt wysokie napięcie zasilania, a nie zbyt niskie.

Co wynika z tych dywagacji? Potrzebny jest swojego rodzaju „stabilizator’’ lub jak kto woli wyłącznik, który odetnie zasilanie w przypadku jego wzrostu ponad zadany poziom. Oczywiście poziom odcięcia powinien być tak ustawiany, aby przypadkowo nie można było go zmienić….

Projektując zabezpieczenie dla takich domowych prac mamy w zasadzie dwie możliwości. Pierwsza to włączenie szeregowo z zasilanym układem włącznika, który odłączy zasilanie po przekroczeniu napięcia progowego. Taką funkcję pełnił układ z tyrystorem, pokazany przez Pana na zdjęciu ilustrującym zadanie. Wyłącznikiem był tu bezpiecznik. O ile układ taki zdawał egzamin gdy stosowane były układy TTL, to obawiam się, że w dzisiejszych czasach będzie zbyt wolny i nie zda egzaminu. Pragmatyczną realizacją takiego rozwiązania będzie za to zastosowanie specjalizowanego układu scalonego sterującego tranzystorem MOS pracującym jako klucz. Taka konstrukcja moim zdaniem będzie najbardziej uniwersalna w domowych zastosowaniach.

Rozwiązanie takie ma jednak pewną wadę. Owszem, zabezpieczy ono nasze urządzenie przed nieuwagą operatora albo „typowym’’ uszkodzeniem zasilacza, ale nie przed bardzo krótkimi a „wysokimi’’ szpilkami – zakłóceniami pojawiającymi się na szynie zasilania. Współczesne układy CMOS mają zwykle zabezpieczenia przepięciowe na pinach wejściowych ale co z „łapkami’’ zasilania nie jestem pewien.

W takich sytuacjach często pomaga użycie zabezpieczenia drugiego rodzaju, a mianowicie stabilizatora równoległego. Metoda ta jest de facto rozwinięciem koncepcji tyrystora + bezpiecznika i polega na dołączeniu równolegle do zabezpieczanego urządzenia stabilizatora równoległego. W normalnych warunkach pracy dobrze ustawiony stabilizator obciąża zasilacz tylko niewielkim prądem, pozwalając by większość mocy dostarczana przez zasilacz trafiała do badanego urządzenia. W sytuacji awaryjnej przejmuje jednak nadmiar energii (szpilka napięcia) nie dopuszczając do wzrostu napięcia zasilania, a dokładniej by dodatkowa energia zaburzenia nie zniszczyła badanego urządzenia, ale była zaabsorbowana i zamieniona na ciepło. Takie zabezpieczenia oczywiście można stosować tylko przy stosunkowo niewielkich mocach zasilania (przynajmniej tylko z takimi sytuacjami się spotkałem przy bardzo wrażliwych pomiarach laboratoryjnych).

Czekając cierpliwie na opinie innych czytelników ZE i Redaktora pozdrawiam serdecznie.
Wojciech Dębski

Sławomir Skrzyński z Rypina przysłał trzy schematy. Pierwszy pokazany jest na rysunku 1.

Idea jest prawidłowa, ale na schemacie jest błąd. Otóż pokrewny schemat mamy na rysunku tytułowym z triakiem i kostką TL431. Triak jest bardzo uniwersalny i może być wyzwalany „w czterech ćwiartkach”, czyli także prądem ujemnym, wypływającym z bramki. Tyrystor – tylko prądem wpływającym, więc trzeba odwrócić jego kierunek.
Ponadto zastosowanie potencjometru jest niekorzystne. Zamiast potencjometru lepiej zastosować rezystor i na bramkę tyrystora podawać napięcie wprost z diody Zenera i ewentualnie zastosować niewielki rezystor szeregowy w obwodzie bramki.

Dwa pozostałe rozwiązania pokazane są na rysunku 2 oraz na rysunku 3.

Symbole tranzystorów są nieco dziwnie narysowane. MOSFET z lewej strony jest włączony „odwrotnie” i stanowi zabezpieczenie przed odwróceniem biegunowości, a dwa pozostałe tworzą zabezpieczenie nadnapięciowe.

Tadeusz Susfał z Warszawy napisał:

(…) Tytułowy rysunek pokazany w zadaniu konkursowym przedstawia takie zabezpieczenie. Jest to rozwiązanie oparte na zadziałaniu bezpiecznika w wyniku zwarcia obwodu przez przewodzący triak. Rozwiązanie to jest przedstawione np. w nocie aplikacyjnej TLV431. Jet to prosty obwód, ale trudność może stanowić dobór podzespołów. Układ ten może być podatny na wyzwolenie poniżej zamierzonego stanu przepięciowego. Zastosowanie w zasilaczu wymaga odpowiedniego włączenia triaka w układzie, zaraz za bezpiecznikiem. Tak, aby prąd zwarciowy nie obciążał układu zasilacza. Natomiast układ sterowania bramką triaka powinien znajdować się na wyjściu zasilacza, aby monitorować napięcie wyjściowe. Jest wiele rozwiązań układowych tego typu, z zastosowaniem tyrystora, z diodą Zenera itp. Moje propozycje układowe są inne (mniej brutalne) i dlatego nie rozwijam tematu zabezpieczenia z użyciem tyrystora i triaka.

Na rysunku 4 widoczne jest rozwiązanie ogranicznika w oparciu o diody Zenera.

W zależności od oczekiwanego napięcia wyjściowego załączana jest odpowiednia dioda Zenera. Tranzystor T1 pełni funkcję regulatora napięcia. Ze względu na spadek napięcia UCE na tranzystorze T1 minimalne napięcie wejściowe dla danego zakresu musi być nieco większe niż wartość nominalna napięcia wyjściowego. Również wartość płynącego prądu przez obciążenie RL ma wpływ na napięcie wyjściowe. Układ może być stosowany jako wbudowany na stałe w urządzenie, które ma zabezpieczać. Wtedy można dokładnie ustalić, znając prąd i napięcie, wartości elementów (napięcie diody Zenera, wartości rezystorów, dobór właściwego tranzystora T1 typu Darligton).

Inne rozwiązanie pokazano na rysunku 5.

Ten wariant układu umożliwia płynne ustawienie ograniczenia napięcia wyjściowego. Jako źródło napięcia odniesienia został użyty TL431 (2,49 V ). To skutkuje tym, że dla wartości elementów jak na rysunku 5 minimalne napięcie na wyjściu to ok. 5 V. A wartość maksymalna 30 V. Tu należy zachować ostrożność, gdyż maksymalna wartość napięcia zasilania LM358 to 32 V, natomiast TL431 może pracować do 36 V. Stosując potencjometr P1 o wartości 20 kΩ uzyskamy układ o zakresie napięć wyjściowych od 5 V do 15 V. Zmiana potencjometru P1 o innej wartości rezystancji, jak widać, wpływa na wartość maksymalną napięcia wyjściowego ogranicznika.

Zamiast TL431 można użyć TLV431 o mniejszej wartości napięcia referencyjnego (1,24 V). Układ ten ma mniejszą wartość napięcia pracy i dlatego przy jego zastosowaniu maksymalna wartość napięcia wejściowego nie może przekraczać 18 V. Ten warunek determinuje wartość maksymalną napięcia wyjściowego a więc można go wykorzystać do ograniczenia do 15 V. Ale za to w tej wersji możemy uzyskać ustawianą dolną wartość napięcia ograniczenia równą 3 V. Ze względu na prąd maksymalny układu TLV431, wartość rezystora R3 zwiększyłbym do 600 Ω. Na wyjściu układu można zastosować woltomierz panelowy, który będzie pokazywał aktualne napięcie wyjściowe. Panel można zasilić z punktu przed tranzystorem, tak jak LM358.

Zakres zmian napięcia wejściowego układu, a tym samym zasilającego panel, powinien być wystarczający dla tego celu. To należy zawsze sprawdzić.

Układ z rysunku 5 może być takim zewnętrznym ogranicznikiem załączanym do wyjścia zasilacza na czas prób i eksperymentów celem zabezpieczenia wrażliwych układów, kiedy łatwo o pomyłkę lub przypadkową zmianę napięcia zasilacza. Do potencjometru można wykonać skalę napięciową, aby łatwiej ustawiać potrzebną wartość napięcia z pomocą panelu. Układ można również wykorzystać w prostszej wersji, jako wbudowany po uprzednim skalibrowaniu (bez panelu).
Tadeusz Susfał

Jerzy SQ9GIW napisał:

Dzień dobry,

od pewnego czasu projektuję zasilacz 13,8 V do urządzeń nadawczo-odbiorczych, popularnie nazywanych transceieverami. Kwestia zabezpieczenia nadnapięciowego spędzała mi od długiego czasu sen z powiek. Na pierwszy rzut oka wydaje się to prostą sprawą, natomiast gdy zaczniemy drążyć, zaczynają się schody. Koniec końców powstał jednak uniwersalny moduł, który będzie częścią składową zasilacza, lecz może on również pracować samodzielnie jako w pełni autonomiczne urządzenie. Opis ww. zabezpieczenia ma się ukazać w ŚR 11–12 jako pierwsza część serii artykułów opisujących kompletny zasilacz (o ile ŚR będzie jeszcze wydawane w przyszłym roku). Nie wiem czy układ nadaje się do konkursu, ponieważ jest dość mocno rozbudowany, a do tego dedykowany pod konkretne zastosowanie. Natomiast jeżeli byłby Pan zainteresowany opublikowaniem go na łamach ZE to proszę bardzo. A może byłby Pan skłonny opublikować całą serię artykułów dotyczących zasilacza? (…) Decyzję oczywiście pozostawiam panu, Panie Piotrze.

Od strony technicznej ww. zabezpieczenie jest gotowe i gruntownie przetestowane. Prostownik oparty na LT4320 wraz z automatycznym modułem chłodzenia jest już również gotowy. Aktualnie kończę projekt modułu stabilizatora. Oj tu też jest niezła jazda. (…)

A oto szczegóły:

(…) Powszechnie panuje opinia, iż aby osiągnąć sukces w naszym [krótkofalarskim] hobby należy dysponować w miarę możliwości rozbudowanym systemem antenowym oraz porządnym transceiverem, a najlepiej kilkoma. To wszystko oczywiście prawda, lecz nie należy zapominać o zasilaniu, ponieważ każde urządzenie wymaga źródła energii. Zdecydowana większość naszych transceiverów do poprawnej pracy wymaga źródła energii o napięciu 12–15 V (13,8 V), które jest w stanie dostarczyć prąd o natężeniu często przekraczającym 20 A. Dziś do wyboru mamy całą gamę fabrycznych zasilaczy spełniających mniej lub bardziej wyżej wymienione wymagania. Jednakże nadal nic nie jest w stanie pokonać satysfakcji jaką niesie samodzielne opracowanie i wykonanie danego urządzenia. Tym samym narodził się pomysł wykonania zasilacza liniowego spełniającego, a niejednokrotnie znacznie przewyższającego nasze potrzeby. Zasilacza o niepospolitej konstrukcji i jak najlepszych możliwych do uzyskania w warunkach amatorskich parametrach użytkowych, jednocześnie nie zawierającego jakże dziś popularnych układów programowalnych. Korzystając z okazji chciałbym serdecznie podziękować za wsparcie merytoryczne kolegom SP9IN, SP9MX oraz SP9GDI. Oto założenia konstrukcyjne:

• Napięcie wyjściowe regulowane w zakresie 12–15 V.
• Ciągła wydajność prądowa 40 A.
• Regulowane zabezpieczenie przeciążeniowe.
• Zabezpieczenie przciwzwarciowe.
• Zabezpieczenie termiczne.
• Zabezpieczenie nadnapięciowe.
• Sygnalizacja załamania stabilizacji.
• Funkcja PEP amperomierza analogowego.
• Soft start.
• Praca buforowa.
• Brak układów programowalnych.
• Modułowa budowa.

Jak wiadomo zdecydowana większość transceiverów wymaga do poprawnej pracy zasilania napięciem 13,8 V ±15%. Przekroczenie 16 V jest już mocno niebezpieczne, natomiast wyższe napięcie z zasady prowadzi do uszkodzenia urządzenia. Dlatego uważam, że układ zabezpieczenia nadnapięciowego jest najważniejszym modułem całego zasilacza. Popularnym układem jest tzw. „Crowbar”. Zasada działania jest prosta i opiera się na wyzwoleniu tyrystora po przekroczeniu ustalonego napięcia, który zwiera wyjście zasilacza.

Moduł zabezpieczenia nadnapięciowego. Istnieją dwie możliwości implementacji opisanego układu zabezpieczenia nadnapięciowego. Pierwsza z nich: układ instalujemy pomiędzy prostownikiem (za filtrem C) a przed modułem stabilizatora w następujący sposób: wyjście „+” z prostownika naszego zasilacza podłączamy do konektorów „In+”, natomiast wejście stabilizatora podłączamy pod zaciski „Out+”. Wyjście minus prostownika podłączamy pod konektory „GND” i dalej z „GND” do masy stabilizatora. Nigdy nie omijamy zacisków „GND” na PCB zabezpieczenia nadnapięciowego! Na koniec wyjście „+” stabilizatora zasilacza podłączamy pod konektor „In 13,8 V”. Jumper J4 pozostawiamy wolny.

Jeżeli natomiast nie chcemy ingerować we wnętrze fabrycznego zasilacza liniowego, wówczas wtyczkę sieciową naszego zasilacza podłączamy pod wyjście J3. Włącznik sieciowy fabrycznego zasilacza ustawiamy na stałe w pozycji „ON”, w tym momencie jego funkcje przejmuje włącznik sieciowy podłączony pod zaciski złącza J1. Na wejście J2 podajemy napięcie sieciowe 230 V AC.
W przeciwnym wypadku układ Soft startu znajdujący się na PCB zabezpieczenia nadnapięciowego nie będzie działał poprawnie! Wyjście plus i minus (13,8 V) zasilacza podłączamy odpowiednio do „In+” i „GND” a z „Out+” i „GND” zasilamy transceiver. W tym przypadku również nigdy nie omijamy zacisków „GND” na PCB zabezpieczenia nadnapięciowego! Na koniec zakładamy zworkę na J4. Konektor „In 13,8 V” pozostaje wolny, niepodłączony.

Opis układu. Rysunek 6 przedstawia schemat ideowy w pełni autonomicznego modułu zabezpieczenia nadnapięciowego zintegrowanego z Soft startem. Na wejście J2 podajemy napięcie sieci 230 V AC. Pod wyjście J3 podłączamy transformator naszego zasilacza. Natomiast pod zaciski J1 podłączamy przełącznik bistabilny, który musi być przewidziany do pracy z napięciem sieci 230 V AC, lecz jego styki mogą być niskoprądowe, ponieważ całe obciążenie przejmują przekaźniki K1–K3. Dzięki temu możemy zastosować np. ozdobny wyłącznik przyciskany, który zostanie umieszczony na panelu przednim zasilacza. Po załączeniu, napięcie sieci trafia na transformator Tr1, następnie na mostek prostowniczy M1. Wyprostowane i wstępnie odfiltrowane (C22) napięcie zostaje wygładzone w stabilizatorze U1. Na wyjściu stabilizatora otrzymujemy około 12,7 V. Działanie stabilizatora sygnalizuje dioda LED D13. W tym momencie U8 rozpoczyna odliczanie, około 2 sekund. Zwłoka ta pozwala na ustabilizowanie się całego układu po załączeniu. Tym samym znika problem wystąpienia stanów przejściowych i nieustalonych. U8 po odliczeniu 2 sekund podaje napięcie na U7 oraz załącza przekaźniki K1 i K2, co sygnalizuje dioda LED D14, które poprzez rezystory R43 – R46 zasilają uzwojenie pierwotne transformatora mocy (Soft start). Następnie zegar U7 po odliczeniu około 1,5 sekundy za pomocą przekaźnika K3 zwiera rezystory R43–R46. Stan ten jest sygnalizowany diodą LED D15. Elementy T10; T11; U3; R6; R28 wytwarzają precyzyjne napięcie odniesienia, które poprzez potencjometr P1, którym ustawiamy próg zadziałania np. 16 V, trafia na wejście odwracające U4. Natomiast na wejście nieodwracające U4 poprzez dzielnik R29; R20 podawane jest napięcie z naszego zasilacza (13,8 V). Dioda Zenera D11 zabezpiecza wejście U4 przed zbyt wysokim napięciem. Rezystor R42 wprowadza małe dodatnie sprzężenie zwrotne, co poprawia dodatkowo stabilność układu. Kondensator C5 jest kluczowym elementem odpowiadającym za czas reakcji na przepięcie. Bramki U5,1 do U5,3 tworzą układ zatrzasku. Bramka U5,4 steruje za pomocą tranzystora T1 kluczem mocy zbudowanym na tranzystorach T2–T5. Diody Zenera D9 i D12 zabezpieczają bramki MOSFET–ów przed zbyt wysokim napięciem bramka – źródło. Układ U2, popularny 555, pracuje tutaj w typowej dla siebie konfiguracji generatora astabilnego, który służy do wytworzenia sygnału alarmowego, dźwiękowo-świetlnego. Funkcja „AC OFF” odpowiada za natychmiastowe odcięcie napięcia wyjściowego po wyłączeniu całego zasilacza, wspomaga również układ Soft start. Na złączu MX1 po wykryciu przepięcia pojawia się napięcie 12 V, które można dowolnie wykorzystać.

Uruchomienie. Wszystkie elementy zostały umieszczone na czterowarstwowej płytce drukowanej o wymiarach 200 × 90 mm. Fotografia 7 przedstawia model podczas opisanych dalej testów.

Po poprawnym i starannym montażu układ wymaga jedynie ustawienia za pomocą potencjometru P1 progu zadziałania. W tym celu załączamy sam układ, jumper J4 rozłączony, na wejście „In 13,8 V” podajemy 16 V np. z zasilacza laboratoryjnego, nie zapominając o GND. Na razie nie przejmujemy się alarmami, ignorujemy je. Następnie dokładnym woltomierzem o wysokiej impedancji wejściowej dokonujemy pomiaru napięcia bezpośrednio na nóżce 3 i 4 układu U4,1 następnie przepinamy woltomierz na nóżki 2 i 4 układu U4,1 i za pomocą P1 ustawiamy dokładnie takie samo napięcie, jakie odczytaliśmy z nóżki 3 i 4.

Układ po wykryciu przepięcia natychmiast zatyka klucz mocy T2–T5 oraz rozłącza przekaźniki K1–K3 i zatrzaskuje się w tym stanie, jednocześnie uruchamia alarm dźwiękowo-świetlny. Nie ma możliwości resetu. Aby zrestartować układ należy wyłączyć napięcie sieci 230 Vac i odczekać około 3 do 5 sekund.

Uwagi wymaga jeszcze kondensator C5, który determinuje czas reakcji po wystąpieniu przepięcia. W układzie modelowym zastosowano kondensator o pojemności 1 μF. Przy takiej pojemności C5 czas reakcji wyniósł 750 μs, co przedstawia oscylogram z rysunku 8 – zmniejszając pojemność C5 skracamy czas reakcji, a zwiększając – wydłużamy.

Przy obciążeniu 29 A różnica napięcia pomiędzy „IN+” a „OUT+” mierzona bezpośrednio na konektorach wlutowanych w PCB wyniosła 160 mV. Po ponad godzinnej pracy MOSFET–y były lekko letnie, więc można z powodzeniem zastosować mniejsze radiatory DY-KY/3 zamiast widocznych na zdjęciu DY-KY/5. Finalnie układ zabezpieczenia nadnapięciowego jest zdolny bez najmniejszego problemu do przenoszenia obciążenia ciągłego rzędu 40 A. A po zastosowaniu DY-KY/5 prąd ten wzrasta do 50 A. Tutaj można obejrzeć krótki film z testów finalnego urządzenia:

https://www.youtube.com/watch?v=qTrTmryajbc

Jerzy via SQ9GIW
sq9giw@gmail.com

Trzeba podkreślić, że opisywany moduł przeznaczony jest do pracy przy prądzie rzędu 40 amperów! A to nie są żarty, o czym wie każdy, kto miał do czynienia z prądami o takim natężeniu. W takich przypadkach, oprócz rozwiązań układowych, ogromne znaczenie ma sposób realizacji.

A jeżeli chodzi o rozwiązanie układowe, to analiza rysunku 6 pokazuje, że nie jest to ogranicznik typu crowbar, tylko ogranicznik szeregowy, gdzie prąd wyłączają cztery połączone równolegle MOSFET–y z kanałem typu P (IXTH140P05 T). Zainteresowani mogą ściągnąć spis elementów układu z tego linku.

Warto zauważyć, że trwałe wyłączenie następuje po przekroczeniu napięcia 16 V na wyjściu włączonego dalej stabilizatora liniowego – ale nie natychmiast, tylko po czasie wyznaczonym przez C5.

Autor takie działanie uznał za optymalne dla systemu zasilania transceivera. Opisany tu układ reaguje na zmiany napięcia na swoim wejściu oznaczonym In 13,8, dołączonym do (nieopisywanego tutaj) liniowego stabilizatora 13,8 V. W innych zastosowaniach optymalne mogą się okazać inne właściwości, a nawet nieco inne działanie. W każdym razie można wykorzystać przedstawione tu rozwiązanie z MOSFET-ami P włączonymi szeregowo w obwód prądowy.

Podsumowanie zadania YK018

Bardzo się cieszę z nadesłanych rozwiązań tego zadania konkursowego. Pokazują one dwie główne koncepcje: pierwszą typu crowbar z bezpiecznikiem, który w przypadku przepięcia zostaje przepalony za pomocą triaka lub tyrystora oraz drugą z tranzystorem MOSFET włączonym szeregowo. Odrębna kwestia to ochrona przed krótkimi a silnymi impulsami. W razie zainteresowania chętnie przedstawię dalsze informacje na temat ograniczników napięcia. ©

Piotr Górecki